陳光雄, 崔曉璐, 王 科

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

高速列車車輪踏面非圓磨耗機(jī)理

陳光雄, 崔曉璐, 王 科

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

為揭示高速列車車輪踏面非圓磨耗的產(chǎn)生機(jī)理,控制高速列車車輪的非圓磨耗,基于高速列車在雨、雪條件下調(diào)速制動(dòng)可能發(fā)生輪軌滑動(dòng)的特點(diǎn),建立了由輪對(duì)和鋼軌組成的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)模型,使用該模型對(duì)輪軌系統(tǒng)進(jìn)行了摩擦自激振動(dòng)發(fā)生趨勢(shì)的仿真分析.仿真結(jié)果表明,在輪對(duì)調(diào)速制動(dòng)輪軌蠕滑力達(dá)到飽和(即滑動(dòng))狀態(tài)下,輪軌系統(tǒng)容易發(fā)生摩擦自激振動(dòng),此摩擦自激振動(dòng)能引起車輪非圓磨耗，并提出控制高速列車調(diào)速制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)摩擦力使輪軌不發(fā)生滑動(dòng)是抑制車輪非圓磨耗的主要措施,增大鋼軌扣件垂向阻尼是控制高速列車車輪非圓磨耗的可行方法.

車輪非圓磨耗;車輪橢圓化;車輪多邊形磨耗;輪軌系統(tǒng);摩擦自激振動(dòng)

我國(guó)自從2008年開行時(shí)速350 km/h的京津城際高速列車以來(lái),高速鐵路線路的總里程已經(jīng)超過(guò)16 000 km,高速鐵路迅猛發(fā)展.高速列車的加速和制動(dòng)距離短,牽引和制動(dòng)力都比較大,無(wú)疑增大了高速列車的輪軌相互作用力.目前,我國(guó)高速列車普遍受到車輪踏面非圓磨耗的困擾.當(dāng)車輪存在非圓磨耗時(shí),非圓的車輪在車輛運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生周期性的垂向激勵(lì)引起車輛的強(qiáng)迫振動(dòng).列車速度越高,激勵(lì)就越大,引起車輛的強(qiáng)迫振動(dòng)也就越大,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)因車輪非圓磨耗引起的軸箱垂向振動(dòng)加速度達(dá)到100g～300g.如此大的振動(dòng)引起了高速列車軸箱端蓋及其上面一些線夾螺栓松動(dòng)或者脫落,構(gòu)成了行車安全的重大隱患.同時(shí),車輪非圓磨耗引起強(qiáng)迫振動(dòng)給軸承、車軸、車輪和鋼軌都作用了一個(gè)極大的動(dòng)態(tài)附加力,長(zhǎng)此以往,對(duì)車輛軸承、車軸、車輪和鋼軌的使用壽命產(chǎn)生不利影響.1998年發(fā)生在德國(guó)Eschede地區(qū)的高速列車脫軌事故曾導(dǎo)致100多人死亡,據(jù)報(bào)道這次事故就是由于車輪非圓磨耗引起車輪輪輞斷裂而導(dǎo)致的.雖然可以通過(guò)縮短車輪的鏇輪加工周期來(lái)減輕車輪非圓磨耗帶來(lái)的不利影響,但勢(shì)必增加高速列車的維護(hù)費(fèi)用.最有效的解決辦法是根據(jù)車輪非圓磨耗的發(fā)生機(jī)理從源頭采取措施消除車輪非圓磨耗發(fā)生的條件,從而徹底解決這個(gè)問(wèn)題.

德國(guó)鐵路在1991年開通首條ICE高速列車,很快就發(fā)現(xiàn)了車輪非圓磨耗問(wèn)題,從1993年起德國(guó)鐵路發(fā)起了多個(gè)ICE高速列車車輪非圓磨耗研究項(xiàng)目,發(fā)表了很多研究成果.Brommundt[1]在1997年用攝動(dòng)方法研究了輪對(duì)左右兩個(gè)車輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)導(dǎo)致的車輪非圓磨耗機(jī)理,指出列車運(yùn)行速度越高,車輪非圓浪涌低次諧波就出現(xiàn)得越快.Mory[2]應(yīng)用鋼軌波磨的分析技術(shù)建立了由1個(gè)輪對(duì)、2根鋼軌和一系列軌枕組成的輪軌系統(tǒng)模型,考慮了輪軌接觸非線性的影響.Mory認(rèn)為車輪踏面存在的制造不圓順與剛度較硬的線路之間的相互作用力引起輪軌之間的接觸法向力激烈變化,激勵(lì)車軸的彎曲振動(dòng)模態(tài)引起輪軌之間的橫向滑動(dòng),從而在車輪踏面上引起非圓磨耗.Meinke[3]把高速輪對(duì)假設(shè)為轉(zhuǎn)子進(jìn)行研究,將輪軌滾動(dòng)接觸看成一對(duì)滾柱軸承建立方程,研究了輪對(duì)偏心對(duì)車輪非圓磨耗的影響,獲得了小的偏心不平衡也能引起顯著的車輪非圓磨耗的結(jié)論.Johansson[4]通過(guò)測(cè)量獲得了大量的鐵路車輪非圓磨耗的數(shù)據(jù),指出地鐵車輛、貨車和機(jī)車都會(huì)出現(xiàn)踏面非圓磨耗.Nielsen等[5-6]對(duì)車輪非圓化的研究進(jìn)展和應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)述.金學(xué)松[7]通過(guò)理論和試驗(yàn)研究后認(rèn)為,輪對(duì)的一階彎曲振動(dòng)是車輪非圓磨耗的原因.馬衛(wèi)華[8]認(rèn)為線路激勵(lì)可以引起等頻或倍頻的車輪非圓磨耗.作者認(rèn)為輪軌系統(tǒng)摩擦引起的自激振動(dòng)引起地鐵車輪非圓磨耗[9].國(guó)外研究車輪非圓磨耗的時(shí)間主要發(fā)生在2006年之前,近10年少見.到目前為止,沒有對(duì)車輪非圓磨耗發(fā)生機(jī)理的統(tǒng)一認(rèn)識(shí).

本文針對(duì)我國(guó)高速列車行駛速度高、牽引和制動(dòng)功率大等特點(diǎn),認(rèn)為高速動(dòng)車組在下雪、下雨等不利的氣候條件下調(diào)速制動(dòng)容易產(chǎn)生車輪打滑,一旦車輪滑動(dòng)便容易引起輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng),因此，有可能產(chǎn)生車輪非圓磨耗.

1 高速輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)模型

1.1 高速鐵路輪軌系統(tǒng)模型

高速鐵路線路使用板式結(jié)構(gòu),主要由軌道板、底座和基床組成,因?yàn)檐壍腊濉⒌鬃某叽绾椭亓慷急容唽?duì)和鋼軌的大得多,為了簡(jiǎn)化模型,在本研究中不考慮軌道板和底座的影響,將其當(dāng)做剛體地面來(lái)處理.圖1(a)為本文建立的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)實(shí)體模型,主要由輪對(duì)、鋼軌和扣件組成,扣件簡(jiǎn)化為橫向、垂向彈簧和阻尼單元,每個(gè)扣件處小曲線半徑R≥7 000 m,因此，在曲線上輪軌左、右接觸點(diǎn)的位置與在直線上的輪軌左、右接觸點(diǎn)的位置相近,都位于輪對(duì)無(wú)橫向位移時(shí)輪軌左右接觸點(diǎn)的位置附近,見圖1(c).圖1中:FVL和FVR分別為作用在左、右軸箱的垂向力；FLL和FLR分別為作用在左、右軸箱的橫向力；NL和NR分別為左、右車輪的法向接觸力；δL和δR分別為左、右車輪的接觸角；FL和FR分別為左、右車輪的橫向蠕滑力；CV和CL分別為扣件的垂向和橫向阻尼；KV和KL分別為扣件的垂向和橫向彈簧剛度.

(a) 輪軌系統(tǒng)實(shí)體模型

(b) 輪軌系統(tǒng)有限元模型

(c) 輪軌接觸模型圖1 輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)模型 Fig.1 Self-excited vibration model of wheelset-track system

高速列車在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生制動(dòng)調(diào)速,我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組都裝備了車輪防滑裝置,這些防滑裝置都采用被動(dòng)控制模式,根據(jù)制動(dòng)時(shí)檢測(cè)到的滑動(dòng)信號(hào)來(lái)確定是否需要采取緩解措施.受到控制策略和滑動(dòng)控制閾值設(shè)定的影響,在下雨、結(jié)霜和下雪等氣候條件下，我國(guó)高速列車仍有時(shí)會(huì)發(fā)生車輪擦傷現(xiàn)象[10],說(shuō)明高速動(dòng)車在高速運(yùn)行過(guò)程中存在滑動(dòng)問(wèn)題.從輪軌蠕滑力飽和的角度來(lái)說(shuō),車輪擦傷時(shí)輪軌蠕滑力是飽和的,但輪軌蠕滑力飽和時(shí)不一定出現(xiàn)車輪擦傷,因此，輪軌蠕滑力飽和出現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)該比車輪擦傷出現(xiàn)的次數(shù)多.在本文的研究中,僅研究輪軌蠕滑力出現(xiàn)飽和的情況,此時(shí)輪軌蠕滑力等于動(dòng)摩擦力.

輪軌系統(tǒng)的有限元運(yùn)動(dòng)方程為[11]

(1)

方程(1)在沒有線路不平順和波動(dòng)外力F作用的條件下,輪軌系統(tǒng)就不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng).但當(dāng)輪軌蠕滑力出現(xiàn)飽和時(shí),輪軌蠕滑力等于摩擦力,即

Ff=Nu=k(uwn-urn)μ,

(2)

式中:N為輪軌接觸法向力;μ為輪軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù);uwn、urn分別為輪軌接觸點(diǎn)處車輪和鋼軌的法向位移；k為輪軌接觸彈簧剛度.

所有輪軌接觸點(diǎn)的摩擦力的矩陣形式為

Ff=Kfu.

(3)

此時(shí)方程(1)為

(4)

式中：F為擾動(dòng)外力.

方程(4)的剛度矩陣K-Kf是一個(gè)非對(duì)稱矩陣,當(dāng)其非對(duì)稱性比較強(qiáng)時(shí),方程(4)表示的輪軌系統(tǒng)就可能出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng),即不需要連續(xù)的線路不平順或者波動(dòng)外力作用,系統(tǒng)只要在一個(gè)脈沖力作用下就能產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng).判斷方程(4)是否出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng)的方法是對(duì)其進(jìn)行特征值分析.

方程(4)對(duì)應(yīng)的特征方程為

[Mλ2+λC(K-Kf)]φ=0.

(5)

方程(4)的通解為

u(t)=∑φiexp(βi+iωi)t,

(6)

式中:λi=βi+iωi為對(duì)特征方程式(5)求得的特征值；φi為方程式(5)求得的特征向量.

由方程(6)可知,如果某一個(gè)特征值的實(shí)部βi>0,此時(shí)，輪軌系統(tǒng)在脈沖激勵(lì)作用下出現(xiàn)振幅越來(lái)越大的不穩(wěn)定振動(dòng).在車輛動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域很少見到輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的研究,但在摩擦學(xué)領(lǐng)域?qū)δΣ料到y(tǒng)自激振動(dòng)和噪聲的研究則很常見,并且建立了相應(yīng)的理論體系[12].

本文作者基于摩擦系統(tǒng)自激振動(dòng)理論,認(rèn)為輪軌系統(tǒng)也是一個(gè)特殊的摩擦系統(tǒng),在一定條件下輪軌系統(tǒng)可能出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng).從輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的角度研究鋼軌波磨問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨的大部分現(xiàn)象都可以用輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的結(jié)果來(lái)得到解釋,特別是有些波磨現(xiàn)象用現(xiàn)有的波磨理論不好解釋,但用輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的結(jié)果就容易解釋了[13-17].

在鋼軌波磨研究領(lǐng)域,已經(jīng)驗(yàn)證如果輪軌摩擦功是波動(dòng)的,則就會(huì)引起與之等頻率的鋼軌波磨[18-21].這里認(rèn)為,如果輪軌之間的摩擦功波動(dòng),則也會(huì)引起車輪踏面等頻率的波狀磨耗,即車輪非圓磨耗.輪軌之間的摩擦功等于輪軌摩擦力乘以滑動(dòng)速度,而輪軌摩擦力等于輪軌接觸法向力乘以動(dòng)摩擦因數(shù).當(dāng)輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng)時(shí),輪軌之間的接觸法向力也是波動(dòng)的,因此，輪軌自激振動(dòng)能引起鋼軌波磨或者車輪非圓磨耗.

在下面分析中,僅判斷輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)自激振動(dòng),則可認(rèn)為車輪踏面發(fā)生了與之頻率相同的非圓磨耗.

1.2 模型參數(shù)

選擇某高速車輛輪對(duì),LMa型車輪踏面,軌距l(xiāng)=1 435 mm,軌底坡γ=1/40,鋼軌和輪對(duì)的彈性模量E=2.1×1011N/m2,鋼軌和輪對(duì)的密度ρ=7.8×103kg/m3,軸箱垂直作用力FVL=FVR=75 000 N,FLL=FLR=0,鋼軌為60 kg/m鋼軌,鋼軌長(zhǎng)度L=46 m,軌枕距l(xiāng)s=600 mm,每個(gè)扣件的垂向和橫向剛度分別為KV=30～100 MN/m、KL=15～50 MN/m,每個(gè)扣件的垂向和橫向阻尼分別為CV=20～120 N·s/m、CL=15～60 N·s/m,輪軌摩擦因數(shù)μ=0.2～0.4.

2 結(jié)果及分析

2.1 高速動(dòng)車制動(dòng)時(shí)輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)

動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)需要不斷牽引加速和制動(dòng)減速，以滿足運(yùn)行圖設(shè)定的速度要求,我國(guó)高速動(dòng)車組的制動(dòng)力全部由輪軌間的粘著力來(lái)提供,在高速的時(shí)候輪軌粘著系數(shù)就比較低,加之在一年四季的下雨、結(jié)霜和下雪等氣候條件下,高速制動(dòng)時(shí)輪軌之間的粘著系數(shù)更低,容易發(fā)生輪軌滑動(dòng).當(dāng)輪軌發(fā)生滑動(dòng)也就是輪軌之間的蠕滑力飽和時(shí),輪軌系統(tǒng)就可能發(fā)生摩擦自激振動(dòng).等效阻尼比通常用來(lái)評(píng)價(jià)摩擦自激振動(dòng)的發(fā)生趨勢(shì),其值小于零越多，說(shuō)明系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的趨勢(shì)也就越大.等效阻尼比定義為

式中：Re(λ)、Im(λ)分別為摩擦滑動(dòng)系統(tǒng)復(fù)特征值的實(shí)部和虛部.

圖2為一組高速動(dòng)車制動(dòng)滑動(dòng)時(shí)發(fā)生的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的振型.由圖2可以看出,當(dāng)μ=0.30、KV=50 MN/m、KL=28 MN/m、CV=30 kN·s/m、CL=20 kN·s/m時(shí),輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)了6個(gè)不穩(wěn)定振動(dòng),前4個(gè)不穩(wěn)定振動(dòng)都是左、右輪軌系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生的,說(shuō)明車輪非圓一般都發(fā)生在左、右車輪上.后2個(gè)不穩(wěn)定振動(dòng)一個(gè)發(fā)生在左輪，一個(gè)發(fā)生在右輪且振動(dòng)頻率接近,故也可以引起左右車輪的非圓磨耗.在這6個(gè)不穩(wěn)定振動(dòng)中,fr=83.99 Hz的不穩(wěn)定振動(dòng)對(duì)應(yīng)的等效阻尼比(ζ=-0.012 7)是最小的,說(shuō)明在車輪制動(dòng)滑動(dòng)狀態(tài)下該振型的不穩(wěn)定振動(dòng)發(fā)生的概率最大,當(dāng)然其它5個(gè)不穩(wěn)定振動(dòng)也可能部分或全部發(fā)生,在這種情況下,車輪踏面會(huì)出現(xiàn)多階的非圓磨耗.判斷車輪是多少邊形磨耗時(shí),須現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查車輪在哪個(gè)速度下制動(dòng)容易滑動(dòng),這個(gè)速度就是計(jì)算車輪多邊形磨耗的相應(yīng)速度.

(a)fr=83.99Hz,ζ=-0.0127(b)fr=205.64Hz,ζ=-0.0005(c)fr=262.85Hz,ζ=-0.0002(d)fr=268.97Hz,ζ=-0.0001(e)fr=309.89Hz,ζ=-0.0024(f)fr=310.65Hz,ζ=-0.0023圖2 輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的振型Fig.2 Modeshapesofself-excitedvibrationofthewheelset-tracksystem

高速列車普遍裝備了輪對(duì)防滑裝置,說(shuō)明高速列車的車輪滑動(dòng)問(wèn)題比較嚴(yán)重.車輪滑動(dòng)會(huì)引起輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)及車輪非圓磨耗,由此可見防止車輪非圓磨耗的最好辦法是防止高速列車車輪滑動(dòng).這個(gè)方法在工程實(shí)踐中具有可行性,即可以通過(guò)降低防滑裝置的滑動(dòng)控制閾值使其遠(yuǎn)離滑動(dòng)邊界，從而使輪對(duì)不容易出現(xiàn)打滑.當(dāng)然,降低滑動(dòng)控制閾值還需考慮其對(duì)高速列車安全制動(dòng)距離的影響.

2.2 輪軌摩擦因數(shù)對(duì)車輪非圓磨耗的影響

輪軌摩擦因數(shù)在一年四季都有不同程度的變化,在干燥的天氣里,輪軌摩擦因數(shù)一般比較大,但在下雨、結(jié)霜和下雪時(shí)，輪軌摩擦因數(shù)下降得比較多.國(guó)外學(xué)者對(duì)輪軌摩擦因數(shù)進(jìn)行了線路實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),干燥時(shí)約為μ=0.42～0.55,有雨水時(shí)約為μ=0.39～0.44[22].

本文假設(shè)在下雨、結(jié)霜和下雪的時(shí)，μ=0.20～0.40,據(jù)此分析摩擦因數(shù)對(duì)車輪非圓磨耗的影響.圖3為不同輪軌摩擦因數(shù)時(shí)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的等效阻尼比分布.從圖3(a)可以看出,當(dāng)μ≤0.23時(shí),輪軌系統(tǒng)沒有等效阻尼比ζ<0的振動(dòng)模態(tài),說(shuō)明此時(shí)輪軌系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生摩擦自激振動(dòng),也就是車輪不會(huì)出現(xiàn)非圓磨耗.從圖3(b)可以看出,當(dāng)μ=0.24時(shí),輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)了等效阻尼比ζ=-0.000 57的振動(dòng)模態(tài),說(shuō)明此時(shí)輪軌系統(tǒng)有可能發(fā)生摩擦自激振動(dòng),即車輪可能出現(xiàn)非圓磨耗.從圖3(c)可以看出,當(dāng)μ=0.3時(shí),輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)了6個(gè)等效阻尼比ζ<0的振動(dòng)模態(tài),說(shuō)明此時(shí)輪軌系統(tǒng)有可能發(fā)生一個(gè)或者多個(gè)摩擦自激振動(dòng),也就是車輪可能出現(xiàn)一階或者多階非圓磨耗.從圖3(d)可以看出,當(dāng)μ=0.4時(shí),輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)了10多個(gè)等效阻尼比ζ<0的振動(dòng)模態(tài),并且對(duì)應(yīng)頻率的等效阻尼比都比圖3(c)的小,說(shuō)明隨著輪軌摩擦因數(shù)的增大,輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的趨勢(shì)也增大,車輪非圓磨耗隨著輪軌摩擦因數(shù)的增大而趨于嚴(yán)重.

(a)μ≤0.23(b)μ=0.24(c)μ=0.3(d)μ=0.4圖3 摩擦因數(shù)對(duì)車輪非圓磨耗趨勢(shì)的影響Fig.3 Influenceoffrictioncoefficientontheoccurrencepropensityofplolygonalizationofwheeltreads

2.3 鋼軌扣件阻尼對(duì)車輪非圓磨耗的影響

高速鐵路的軌道扣件阻尼主要由軌下膠墊提供,一般高鐵軌下膠墊的垂向阻尼CV=75 kN·s/m,考慮到軌下膠墊的老化等因素,軌下膠墊的垂向阻尼有可能出現(xiàn)變化,本文取CV=20～100 kN·s/m進(jìn)行相關(guān)分析.

圖4為當(dāng)CV=90 kN·s/m、CL=50 kN·s/m、KV=50 MN/m、KL=28 MN/m、μ=0.3時(shí),輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)頻率分布.由圖4可知,此時(shí)輪軌系統(tǒng)沒有摩擦自激振動(dòng)等效阻尼比ζ<0的情況,說(shuō)明此時(shí)輪軌系統(tǒng)即使輪軌發(fā)生制動(dòng)滑動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生車輪非圓磨耗.因此,適當(dāng)增加高速軌道的阻尼可以抑制車輪非圓磨耗.

圖4 鋼軌扣件阻尼對(duì)車輪非圓磨耗趨勢(shì)的影響Fig.4 Influence of fastener damping on the occurrence propensity of plolygonalization of wheel treads

2.4 鋼軌扣件剛度對(duì)車輪非圓磨耗的影響

國(guó)內(nèi)外高速鐵路的鋼軌扣件的垂向剛度一般在KV=30～100 MN/m之間,對(duì)不同扣件剛度進(jìn)行了輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)發(fā)生趨勢(shì)的分析.

圖5為當(dāng)KV=100 MN/m、KL=50 MN/m、CV=30 kN·s/m、CL=20 kN·s/m、μ=0.3時(shí)，輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)頻率的分布情況.

圖5 扣件剛度對(duì)車輪非圓磨耗趨勢(shì)的影響 Fig.5 Influence of fastener stiffness on the occurrence propensity of plolygonalization of wheel treads

比較圖5和圖3(c)可以看出,不同的鋼軌扣件垂向剛度對(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的影響不大,僅通過(guò)改變鋼軌扣件剛度不能消除輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng),也即不能消除車輪非圓磨耗.

3 結(jié) 論

本文從輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的角度研究了車輪非圓磨耗的產(chǎn)生機(jī)理,對(duì)影響車輪非圓磨耗的因素進(jìn)行了分析,主要得出如下結(jié)論:

(1) 在雨雪天氣條件下，高速列車調(diào)速制動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)輪軌滑動(dòng),當(dāng)輪軌滑動(dòng)時(shí)輪軌之間的摩擦力容易引起輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng),此自激振動(dòng)可能是引起車輪非圓磨耗的主要原因.

(2) 防止高速列車制動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)輪軌滑動(dòng)是控制車輪非圓磨耗的主要方法.

(3) 增大鋼軌扣件的阻尼可以抑制車輪非圓磨耗.

[1] BROMMUNDT E. A simple mechanism for the polygonalization of railway wheels by wear[J]. Mechanics Research Communication, 1997, 24(4): 435-442.

[2] MORYS B. Enlargement of out-of-round wheel profiles on high speed trains[J]. Journal of Sound and Vibration, 1999, 227(5): 965-978.

[3] MEINKE P, MEINKE S. Plolygonalization of wheel treads caused by static and dynamic imbalances[J]. Journal of Sound and Vibration, 1999, 227(5): 979-986.

[4] JOHANSSONA. Out-of-round railway wheels- assessment of wheel tread irregularities in train traffic[J]. Journal of Sound and Vibration, 2006, 293: 795-806.

[5] NIELSEN J C O, LUNDEN R, JOHANSSON A, et al. Train-track interaction and mechanisms of irregular wear on wheel and rail surface[J]. Vehicle System Dynamics, 2003, 40(1-3): 3-54.

[6] NIELSEN J C O, JOHANSSON A. Out-of-round railway wheels-A literature survey[J]. Proceedings of Institute of Mechanical Engineer, Part F: Journal of Rail Rapid Transit, 2000, 214: 79-91.

[7] JIN Xuesong, WU Lei, FANG Jianying, et al. An investigation into the mechanism of the polygonalwearof metro train wheels and its effect on the dynamic behaviour of a wheel/rail system[J]. Vehicle System Dynamics, 2012, 50(12): 1817-1834.

[8] MA Weihua, SONG Rongrong, LUO Shihui. Study on the mechanism of the formation of polygon-shaped wheels on subway vehicles[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Eegineers Part F-Journal of Rail and Rapid Transit, 2016, 230(1): 129-137.

[9] 陳光雄,金學(xué)松,鄔平波,等. 車輪非圓磨耗機(jī)理的有限元研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2011,01: 14-18.

CHEN Guangxiong, JIN Xuesong, WU Pingbo, et al. Finite element study on the generation mechanism of polygonal wear of railway wheels[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 01: 14-18.

[10] 顧小山. CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制的優(yōu)化[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2015,10: 41-43，46.

GU Xiaoshan. Optimization of anti-skid control method for braking system of CRH2 EMU[J]. Method and Application, 2015, 10: 41-43，46.

[11] YUAN Y. An eigenvalue analysis approach to brake squeal problem[C]∥Proceedings of the 29th ISATA Conference Automotive Braking Systems. Florence： [s. n.], 1996: 337-344.

[12] OUYANG H, NACK W, YUAN Y, et al. Numerical analysis of automotive disc brake squeal: a review[J]. International Journal of Vehicle Noise and Vibration, 2005, 1 (3/4): 207-231.

[13] CHEN G X, ZHOU Z R, OUYANG H, et al. A finite element study on rail corrugation based on saturated creep force-induced self-excited vibration of a wheelset-track system[J]. Journal of Sound and Vibration, 2010, 329: 4643-4655.

[14] QIAN W J, CHEN G X, OUYANG H, et al. A transient dynamic study of the self-excited vibration of a railway wheelset-track system induced by saturated creep forces[J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(9): 1115-1138.

[15] CUI X L, CHEN G X, YANG H G, et al. Effect of the wheel/rail contact angle and the direction of the saturated creep force on rail corrugation[J]. Wear, 2015, 330-331: 554-562.

[16] CUI X L, CHEN G X, YANG H G, et al. Study on rail corrugation of a metro tangential track with Cologne-egg type fasteners[J]. Vehicle System Dynamics, 2016, 54(3): 353-369.

[17] HU W P, WANG P, CHEN G X, et al. Experimental study on corrugation of a sliding surface caused by frictional self-Excited vibration[J].Tribology Transactions, 2016, 59(1): 8-16.

[18] BROCKLEYCA. An investigation of rail corrugation using friction-induced vibration theory[J]. Wear, 1988, 128: 99-106.

[19] 張立民,張衛(wèi)華. 輪軌波磨形成機(jī)理與再現(xiàn)試驗(yàn)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,40(4): 435-439.

ZHANG Limin, ZHANG Weihua. Mechanism and experimental formation of wheel/rail corrugation[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2005, 40(4): 435-439.

[20] 伍曾,劉學(xué)毅,姚令侃. 鋼軌波磨的分形描述及動(dòng)力仿真分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,44(5): 722-725.

WU Zeng, LIU Xueyi, YAO Lingkan. Fractal decription of rail corrugation and its dynamic simulation[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(5): 722-725.

[21] 熊嘉陽(yáng),鄧永權(quán),曹亞博,等. 重載鐵路輪軌磨耗及其對(duì)安全運(yùn)行的影響[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(2): 302-309.

Xiongjiayang, DENG Yongquan, CAO Yabo, et al. Wheel-rail wear on heavy haul lines and its influences on running stability of trains[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2014, 49(2): 302-309.

[22] AREIZA Y A, GARCéS S I, SANTA J F, et al. Field measurement of coefficient of friction in rails using a hand-pushed tribometer[J]. Tribology International, 2015, 82: 274-279.

陳光雄(1962—),博士,1988年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為機(jī)械工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)、車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目等10余項(xiàng).獲得國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng).

E-mail: chen_guangx@163.com

崔曉璐(1990—),博士研究生,2013年起至今就讀于西南交通大學(xué).主要研究方向?yàn)槟Σ琳駝?dòng)和噪聲、鋼軌波磨.

E-mail: cui_xiaolu@foxmail.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Generation Mechanism for Plolygonalization of Wheel Treads of High-Speed Trains

CHENGuangxiong,CUIXiaolu,WANGKe

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to understand the generation mechanism for plolygonalization of wheel treads of high-speed trains and to suppress the polygonal wear of wheel treads, a friction-induced self-excited vibration model for wheelset-track system consisting of a wheelset and two rails was set up based on the fact that a wheel probably slips on a rail because of the saturated wheel-rail creep force when a speed-governing brake is applied in rain or snow. With this model, a numerical simulation on the occurrence propensity of the friction-induced self-excited vibration of the wheelset-track system was made. The result shows that when wheels slip on rails in the braking process of trains, the friction-induced self-excited vibration of the wheelset-track system easily occurs. The vibration probably induces plolygonalization of wheel treads. Several factors affecting plolygonalization of wheel treads are analyzed. It is proposed that preventing the wheel from slipping on the rail is a key precaution to suppress plolygonalization of wheel treads. Increasing the damping of the rail fastener is helpful to suppress plolygonalization of wheel treads.

out-of-roundness of wheels; ovalization of wheels; plolygonalization of wheel treads; wheelset-track system; friction-induced self-excited vibration

2016-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275429)

陳光雄,崔曉璐,王科. 高速列車車輪踏面非圓磨耗機(jī)理[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 244-250.

0258-2724(2016)02-0244-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.004

U211.5

A